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500 años antes de nuestra era, en Grecia y en China se hace referencia a un material capaz de atraer al hierro: se trata de la magnetita, un óxido de hierro. Hacia el siglo XII se comprobó que un trozo de este material se orientaba para marcar el norte geográfico de la Tierra, con lo que nacieron las primeras brújulas. Estas barras de magnetita se llaman imanes, y en ellas se comprobaron los siguientes efectos:
Los extremos se orientan con la línea Norte-Sur geográfica, por lo que reciben el nombre de polos Norte y Sur
Los polos o extremos atraen al metal con mayor fuerza
Polos opuestos se atraen, mientras que polos iguales se repelen
Al partir una barra, cada trozo vuelve a tener dos polos
Un imán tiene una zona de influencia a su alrededor, que se puede comprobar cuando se colocan limaduras de hierro en las proximidades del mismo.
Estas zonas o regiones del espacio en la que se dejan notar los efectos de una masa, una carga o un imán, en Física se denominan campos, y se representan mediante vectores que indican el sentido y la magnitud de la fuerza que se ejercería sobre otro objeto de prueba. Para visualizar este efecto se dibujan unas líneas de campo mediante líneas tangentes a los vectores.
Los tres campos fundamentales son:
Campo gravitatorio:
En cada punto del espacio, la fuerza que sufre una masa de prueba siempre está orientada hacia la masa generadora del campo, y tiene un valor:
Campo eléctrico (de una carga o de un sistema de cargas):
Una carga positiva genera una fuerza de repulsión sobre la carga positiva de prueba, de un valor:
Para una carga negativa, la fuerza sobre la carga de prueba es de atracción. Ésto se puede interpretar como que el valor del campo se ve afectado por el signo negativo de la carga.
Campo de un protón
Campo de un electrón
Cuando hay varias cargas, hay que analizar la suma vectorial de atracciones y repulsiones sobre la carga de prueba. Los valores no son calculables de forma sencilla, pero para un sistema formado por una carga positiva y otra negativa, las líneas de campo eléctrico tienen la distribución del dibujo.
A este sistema formado por una carga positiva y otra negativa se le denomina dipolo eléctrico.
Campo de un dipolo eléctrico
Campo magnético:
En el caso de un imán, cada vector indica la orientación de un imán de prueba. Las líneas de campo son muy parecidas a las que se obtienen en un dipolo eléctrico.
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno. La aguja se colocaba siempre perpendicular al cable, lo que demuestra que las líneas de campo magnético son circunferencias perpendiculares al cable (pulsa sobre la imagen para ver la animación):
Posteriormente, André-Marie Ampère descubrió que dos conductores paralelos sufrían una fuerza de atracción si la corriente que pasa por ellos tiene el mismo sentido, pero la fuerza es de repulsión si los sentidos de las corrientes son opuestos:
La fuerza que se ejerce sobre una longitud dada del segundo cable es mayor cuanto más larga es la longitud considerada, cuanto mayores son las intensidades y cuanto menor es la separación entre los cables. Matemáticamente:
Por lo tanto, los valores que dependen del primer cable constituyen el valor de la densidad de campo magnético, o simplemente campo magnético, creado por esa corriente:
Ésto constituye la Ley de Biot-Savart y con ella se explica el hecho de que una corriente eléctrica genere un campo magnético, tanto más intenso cuanto mayor es la corriente eléctrica y menor la distancia al cable: La densidad de campo magnético, B, se mide en una unidad del Sistema Internacional llamada Tesla (T), pero ésta es una medida muy grande y se suele usar el Gauss (G), que equivale a 10-4 T.
Las líneas de campo magnético describen circunferencias perpendiculares a la dirección de la corriente, cuyo sentido viene dado por la regla de la mano derecha, teniendo en cuenta que la intensidad es la circulación de electrones (cargas negativas), es decir, el sentido de la corriente debe ser invertido. Evitar esta inversión es la razón por la que algunas veces se distingue entre la intensidad real (la del movimiento de los electrones, que va del polo negativo al positivo) y la intensidad convencional (inversa de la real, que se dirige desde el polo positivo al negativo).
Aunque parece complicado, el proceso es sencillo:
El movimiento real de los electrones se realiza desde el polo negativo hacia el polo positivo
Como son cargas negativas, se invierte la intensidad real
Con esa intensidad invertida se aplica la regla de la mano derecha
El sentido de los dedos indica el sentido de rotación del campo magnético
Este campo magnético en círculos tiene pocas aplicaciones prácticas. Es más común enrollar el cable conductor para formar espiras, con lo cual se combinan los campos de cada espira y se obtienen unas líneas de campo idénticas a las de un imán natural. Se trata de las bobinas o solenoides:
El campo magnético en los extremos del electroimán viene dado por la expresión:
donde D es el diámetro de la bobina, N el número de espiras, I la intensidad eléctrica y la constante k tiene el valor: k= 4·π·10-7 T·m/A. El sentido del campo magnético viene nuevamente determinado por la regla de la mano derecha, con la consabida inversión previa de la corriente eléctrica:
El movimiento real de los electrones se realiza desde el polo negativo hacia el polo positivo
Como son cargas negativas, se invierte la intensidad real
Con esa intensidad invertida se aplica la regla de la mano derecha, pero con los dedos siguiendo a la intensidad
El sentido del pulgar indica el polo Norte, y por tanto, el sentido del campo magnético
Cuando en un solenoide se introduce una barra de hierro denominado núcleo, el campo magnético producido es muy superior al valor sin hierro. Esto es debido a que los átomos de hierro orientan sus electrones, creando imanes minúsculos que aportan su campo al campo del solenoide, y en la expresión se multiplica la constante k por la llamada permeabilidad magnética del núcleo (k' = μ· k). Es este caso se dice que tenemos un electroimán (pulsa sobre la imagen para ver la animación):
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